15 Лекция. Резисторы

Лекция 4 (2.1) Резисторы

1. Классификация и параметры резисторов

2. Устройство и применение линейных резисторов

3. Устройство, характеристики и параметры нелинейных резисторов

1. Классификация и параметры резисторов

Основные понятия

Термин "резистор" происходит от латинского слова resistere - сопротивляться (англ. resistance - сопротивление).

Основная функции резисторов состоит в регулировании и распределении электрической энергии между цепями и элементами схемы. В зависимости от характера изменения сопротивления при протекании тока и внешних воздействующих факторов резисторы делятся на линейные и нелинейные.

Под термином «резисторы» подразумевают резисторы с линейной вольт-амперной характеристикой.

К нелинейным резисторам относят варисторы, терморезисторы. магниторезисторы и фоторезисторы.

Варистор - полупроводниковый резистор, сопротивление которого резко и нелинейно зависит от приложенного напряжения.

Терморезистор (термистор) - полупроводниковый резистор, отличающийся ярко выраженной за­висимостью сопротивления от температуры, примерно в 10...25 раз более сильной, чем у металлов.

Магниторезистор - полупроводниковый резистор, сопротивление которого резко и нелинейно изменяются во внешнем магнитное поле.

Фоторезистор - полупроводниковый резистор, изменяющий свое электрическое сопротивление под действием электромагнитного излучения раз­личных длин волн (от инфракрасной области спектра до рентге­новских и гамма‑лучей). Фоторезисторы в рамках данной лекции не рассматриваются.

Из всех дискретных радиодеталей резисторы наиболее широко применяются в РЭА. Промышленностью выпускаются резисторы различных типов и конструкций, что позволяет удовлетворить самым разно­образным условиям их применения.

Классификация резисторов

По характеру изменения сопротивления все резисторы подразделяются на постоянные и переменные. У постоянные резисторов величина активного сопротивления (в пределах оговоренных значений) оста­ется неизменной при эксплуатации в течение всего срока служ­бы. У переменных резисторов конструкция позволяет перемещением скользящего контакта изменять по заданному закону величину их активного сопротивления в процессе регулировки аппаратуры пос­ле ее изготовления или ремонта, а также в процессе эксплуата­ции аппаратуры. Последние, в свою очередь, делятся на подстроечные и регулировочные. Сопротивление подстроечных резисторов изменяется при разовой или периодической регулировке и не изменяется в процессе функционирования аппаратуры. Существуют еще полупеременные (секционирован­ные) резисторы, величину активного сопротивления которых можно в определенных пределах изменять ступенчато. В РЭА полупеременные резисторы применяются редко, основное применение они находят в измерительной технике.

По материалу токонесущей части резистивного элемента резисторы разделяют на следующие группы:

• проволочные;

• непроволочные, которые в свою очередь, делятся на проводниковые и полупроводниковые;

• металлофольговые с резистивным элементом из фольги определенной конфигурации, нанесенной на изолированное основание.

По назначению резисторы разделяют на следующие группы:

• резисторы общего назначения

• прецизионные резисторы;

• высокочастотные и импульсные резисторы;

• высоковольтные резисторы;

• высокомегомные резисторы;

• переменные (подстроечные и регулировочные) резисторы.

Параметры резисторов

Номинальное сопротивление и допуск

Номинальное сопротивление резистора - электрическое сопротивление R_НОМ при температуре 20°C (293 K), значение которого обозна­чено на резисторе или указано в нормативной документации и которое является исходным для отсчета отклонений от этого значения. Диапазон номинальных сопротивлений установлен для резисторов:

• постоянных от долей ома до еди­ниц тераом;

• переменных проволочных от 0,47 Ом до 1 МОм:

• переменных непроволочных от 1 Ом до 10 МОм.

В технически обоснованных случаях допускается отклонение от указанных пределов

Номинальные значения сопротивления резисторов (емкости конденсаторов и индуктивности дросселей) стандартизованы. В соответствии с рекомендациями Международной Электротехнической Комиссии (МЭК) государственными стандартами установ­лены так называемые параметрические ряды Е, являющиеся рядами геометрической прогрессии. Всего таких ря­дов семь: Е3, Е6, E12, Е24, Е48, Е96, Е192; цифра в наимено­вании ряда означает количество чисел в нем. Цифра после буквы Е указывает число номинальных значений в каждом десятичном интервале. Например, по ряду Е6 (кадр1) номинальные сопротивления в каждой декаде должны соответство­вать числам 1; 1,5; 2,2; 3,3; 4,7; 6,8 или числам, полученным умножением или делением этих числе на 10 ⁿ, где n - целое положительное или отрицательное число.

Действительные значения сопротивлений резисторов (емкости конденсаторов и индуктивности дросселей) вследствие погрешностей изготовления могут отличаться от номинальных. Разница между номинальным и действительным сопротивлением, выраженная в процентах по отноше­нию к номинальному сопротивлению, называется допускаемым отклонением от номинального сопротивления или, кратко, допуском.

Для резисторов установлен ряд допусков номинального сопротивления: ±0,001; +0,002; +0.005; ±0,01; ±0,02; ±0,05; ±0,1; ±0,2; +0,5; ±1; ±2; ±5: +10: ±20; ±30 %.

Для конденсаторов установлен иной, частично совпадающий с рядом для резисторов, ряд допусков номинальной емкости: ±0,1; ±0,2; ±0,5; ±1; ±2; ±5; ±10; ±20; (‑10...0); (‑20...30); (‑20...60) %.

Для малогабаритных дросселей установлен, ряд допусков номинальной индуктивности: ±2; ±5; ±10; ±20 %.

Номинальная мощность, рабочее и предельное напряжение. Под номинальной мощностью P_НОМ понимается максимально допустимая мощность, которую резистор может рассеивать при непрерывной электрической нагрузке длительное время в заданных условиях эксплуатации при сохранении стабильности параметров в установленных пределах. Величина номинальной мощности рассеивания лежит в пределах 0,025..500 Вт для постоянных резисторов и 0,025...100 Вт для переменных резисторов. Номинальная мощность устанавливается расчетным путем, исходя из выбранных материалов и конструкции, и подтверждают длительными испытаниями при различных значениях температуры среды и электрической нагрузки.

Напряжение, которое может быть подано на резистор, не должно превышать предельного значения U_МАХ, рассчитанного по формуле U_МАХ = (P_НОМ R_НОМ) ^1/2. При нормальном и повышенном атмос­ферном давлении предельное рабочее напряжение ограничивается в основном тепловыми процессами в проводящем элементе резис­тора, а при пониженном давлении - электрической прочностью проводящего элемента и всей конструкции, которая уменьшается при снижении атмосферного давления. Предельные рабочие постоянное и переменное амплитудные значения напряжения для постоянных резисторов различных типов составляют 25...60000 В, а для пе­ременных резисторов - 5...8000 В.

Рабочее напряжение, при котором резистор может работать, не должно превышать значения, рассчитанного исходя из номинальной мощности и номинального сопротивления по формуле U£ (P_Н R_Н) ^1/2. Однако при выборе резисторов с большим номинальным сопротивлением (сотни килоом, единицы мегаом) это напряжение может достигать больших значений и в некоторых случаях приводить к пробою. Поэтому для каждого типа резистора с учетом его конструкции, размеров и обеспечения длительной работоспособности устанавливается предельное рабочее напряжение U_ПРЕД. Оно ограничивается в основном тепловыми процессами в токопроводящем элементе и электрической прочностью резистора.

Назначение резисторов в значительной мере определяет специфические требования к их электрическим параметрам.

Резисторы общего назначения предназначаются для использо­вания в электрических цепях, не требующих от резистора специ­фических свойств и параметров. Наиболее широко такие резисторы применяются в бытовой РЭА, хотя находят применение и в специ­альной аппаратуре. Выпускаются на номиналы 0,05...10 ¹¹ Ом с допусками ±2; ±5; ±10 %. Резисторы повышенной точности выпуска­ются с допуском ±1 % и с номиналами 0,1..10 ¹¹ Ом.

Прецизионные резисторы выпускаются с допусками ±0,001...0,5 %, а по диапазону номинальных величин сопротивлений даже превос­ходят резисторы общего применения. Резисторы повышенной точ­ности и прецизионные обладают высокой стабильностью в процес­се эксплуатации и применяются, как правило, в измерительной аппаратуре, различных аналоговых счетно­­­­­‑решающих устройствах и автоматических системах.

Высокочастотные и импульсные резисторы отличаются малыми собственными индуктивностью и емкостью. Они используются в вы­сокочастотных цепях, кабелях и волноводах в качестве согласую­щих нагрузок, аттенюаторов (ослабителей.), ответвителей, экви­валентов антенн и т.п. Выпускаются с номиналами от долей ома до 1 МОм и допусками ±0,01...10 %. Непроволочные резисторы с поверхностным токопроводящим слоем могут работать на частотах до 100 МГц и выше, а специально сконструированные высокочастотные проволочные резисторы - до сотен килогерц.

Высоковольтные резисторы имеют большие рабочие напряжения от единиц до десятков киловольт и значительные мощности рассеивания до 5 Вт (и выше). Они выпускаются с номиналами до 10 ¹¹ Ом, с допусками от 2% и выше и применяются в качестве делителей напряжения, искрогасителей, поглотителей, в заряд­ных и разрядных высоковольтных цепях и т.д.

Высокомегомные резисторы имеют диапазон номинальных зна­чений сопротивления от десятков мегом до сотен тераом (1 Т0м=10 ¹² Ом) и допуск ±2% и выше. По сравнению с высоковольтными резисторами они имеют невысокие мощности рассеивания (до 1 Вт) и небольшие рабочие напряжения. Используются в слаботочных цепях, приборах ночного видения, дозиметрической и измеритель­ной аппаратуре.

Переменные резисторы выпускаются с номиналами от 47 Ом до 5 МОм, а в специальных случаях и выше 10 МОм (непроволочные) и от 0,47 Ом до 47 кОм. Их номиналы выбираются в соответствии с числами ряда Е6.

Стабильность величины сопротивления резистора. Постоянст­во величины сопротивления резистора зависит от стабильности его геометрических размеров и физических свойств использованных при его изготовлении материалов. Температурная стабильность резистора характеризуется его температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), показывающим отно­сительное изменение сопротивления при изменении температуры проводящего слоя на 1°C.

Для непроволочных резисторов ТКС = ±(0,5...20) 10^­‑4 К^­‑1 - в зависимости от свойств токопроводящего материала: для провод­никовых и полупроводниковых материалов он может быть и поло­жительным и отрицательным.

Для проволочных резисторов ТКС = ±2 10^­‑4 К^­‑1.

Для некоторых типов резисторов характерны необратимые изменения величины сопротивления при длительном воздействии приложенного напряжения, повышенной или пониженной температуры, влажности, а также с течением времени.

Коэффициент напряжения. Непроволочные высоковольтные и высокомегомные резисторы, для кото­рых характерен неоднородный зернистый проводящий слой, могут изменять величину сопротивления в зависимости от приложенно­го напряжения. Причиной возникающей при этом нелинейности яв­ляется зависимость концентрации носителей тока и их подвижно­сти от напряженности поля. Для оценки степени нелинейности сопротивления резистора вводится коэффициент напряжения (чувствительность)

K_Н=100 (R2 - R1) / R1,

где R1 и R2 - сопротивления резистора, измеренные при подведе­нии к нему напряжений, соответствующих 10 и 100% номинальной мощности рассеяния.

Собственная индуктивность резистора. Резистор как деталь обладает не только активным сопротив­лением R, но и собственной емкостью C_R и собственной индук­тивностью L_R. Это приводит к зависимости полного сопротивле­ния резистора от частоты, что особенно недопустимо для резисто­ров, включаемых в колебательные цепи. При включении резистора в цепь высокой частоты его индуктивное сопротивление w L_R может оказаться соизмеримым с активным сопротивлением R или даже его превысить, что приведет к нарушению нормальной работы схемы.

Проволочные резисторы имеют наибольшую индуктивность. Для ее уменьшения применяют специальные виды намотки.

Непроволочные резисторы (особенно без спиральной нарезки токо­проводящего слоя) имеют ничтожно малую индуктивность и сравни­тельно малую емкость (доли пикофарада), которые можно не при­нимать во внимание до самых высоких частот.

Собственные шумы резисторов. При подаче на резистор посто­янного напряжения сила проходящего через него тока не остается постоянной. Это приводит к тому, что вызываемое током падение напряжения на резисторе будет пульсирующим, т.е. имеющим по­стоянную составляющую и переменную составляющую со случайным (шумовым) характером своего изменения во времени. При этом го­ворят, что резистор является источником ЭДС шума E_Ш.

Шумы резистора подразделяются на тепловые и флюктуационные (лат. fluctuatio - колебание, здесь в смысле «случайное от­клонение»).

Тепловые шумы обусловлены хаотическим движе­нием носителей заряда и имеют место во всех материалах и деталях при температуре, отличной от абсолютного нуля. Их интен­сивность пропорциональна произведению k T , где k - постоян­ная Больцмана; T - абсолютная температура. Единственной воз­можностью их уменьшения является снижение температуры устрой­ства. Наличие собственных шумов особенно сказывается на чув­ствительности радиоприемников, т.е. на их способности прини­мать весьма слабые сигналы. Поэтому часто первые каскады вы­сокочувствительных радиоприемников специальной РЭА помещают в дюаровский сосуд при температуре жидкого гелия.

Флюктуационные шумы вызываются непо­стоянством контакта между токопроводящими частицами рабочего слоя (обычно имеющего мелкозернистую структуру) непроволочного резистора, химическими процессами в рабочем слое, а также ме­ханическими вибрациями отдельных частей резистора. Их интен­сивность пропорциональна приложенному к резистору напряжению.

У проволочных резисторов, всегда имеющих монолитный токопроводящий слой, возникают лишь тепловые шумы, интенсивность которых возрастает с ростом температуры и величины сопротив­ления резистора.

Непроволочным резисторам свойственны как тепловые, так и флюктуационные шумы, причем уровень последних в несколько раз выше.

Шумовые свойства непроволочных резисторов оцениваются отношением E_Ш / U  мкВ/В, где U - приложенное к резистору по­стоянное напряжение. Лучшие по шумовым свойствам непроволоч­ные резисторы (например, прецизионные бороуглеродистые) име­ют отношение E_Ш / U <1, а у композиционных объемных резисторов это отношение может достигать 40...50.

Другие характеристики и параметры резисторов. Кроме рассмотренных вы­ше параметров резисторы характеризуются габаритами и массой, условиями эксплуатации, гарантийным сроком службы, сроком хранения, стоимостью и рядом других менее распространенных показателей.